1、第第1章章 绪论绪论 l1.1控制理论与过程控制系统的发展状况控制理论与过程控制系统的发展状况 20世纪世纪40年代开始形成的控制理论被称为年代开始形成的控制理论被称为“20世纪上半叶三大伟绩之一世纪上半叶三大伟绩之一”，在人类社会，在人类社会的各个方面有着深远的影响。的各个方面有着深远的影响。1.1控制理论与过程控制系统的发控制理论与过程控制系统的发展状况（续）展状况（续）l我国古代指南车我国古代指南车 指南车指南车是一种马拉的是一种马拉的双轮独辕车双轮独辕车，车箱上立一个伸臂的木人。车箱内装有车箱上立一个伸臂的木人。车箱内装有能自动离合的齿轮系。当车子转弯偏离能自动离合的齿轮系。当车子转弯
2、偏离正南方向时车辕前端就顺此方向移动，正南方向时车辕前端就顺此方向移动，而后端则向反方向移动，并将传动齿轮而后端则向反方向移动，并将传动齿轮放落，使车轮的传动带动木人下的大齿放落，使车轮的传动带动木人下的大齿轮向相反方向转动，恰好轮向相反方向转动，恰好抵消抵消车子转弯车子转弯产生的影响。产生的影响。1.1控制理论与过程控制系统的发控制理论与过程控制系统的发展状况（续）展状况（续）工业上的应用一般以瓦特的蒸汽机调速器作为正式起点工业自动化的萌芽时期的自动化装置是机械式的，而且是自力型的随着电动、液动和气动这些动力源的应用，电动、液动和气动的控制装置开创了新的控制手段。1.1控制理论与过程控制系统
3、的发控制理论与过程控制系统的发展状况（续）展状况（续）l工业上的应用，一般以瓦特的蒸汽机调速器作工业上的应用，一般以瓦特的蒸汽机调速器作为正式起点。为正式起点。公元公元1788年年 J.瓦特将离心式调速器与蒸汽机的阀门连接起来，瓦特将离心式调速器与蒸汽机的阀门连接起来，构成蒸汽机转速的闭环自动调速系统构成蒸汽机转速的闭环自动调速系统1.1控制理论与过程控制系统的发控制理论与过程控制系统的发展状况（续）展状况（续）l初期自动化装置是机械式的，而且是自力型的。l随着电动、液动和气动这些动力源的应用，电动、液动和气动的控制装置开创了新的控制手段。1.1控制理论与过程控制系统的发控制理论与过程控制系统
4、的发展状况（续）展状况（续）l第二次世界大战前后形成经典控制理论。lNyquist（1932）频率域分析技术和稳定判据的产生。lBode（1945）开发了易于实际应用的Bode图。lEvans（1948）提出了一种易于工程应用的求解闭环特征方程根的简单图解方法根轨迹方法。l至此自动控制技术开始形成一套完整的，以传递函数为基础，在频率域对单输入单输出控制系统进行分析与设计的理论-经典控制理论经典控制理论。l经典控制理论最辉煌的成果之一-PID控制规律。lPID控制原理简单，易于实现，对无时间延迟的单回路控制对无时间延迟的单回路控制系统极为有效系统极为有效，直到目前为止，在工业过程控制中有80%9
5、0%的系统还使用PID控制规律。l经典控制理论最主要的特点是：线性定常对象，单输入单输线性定常对象，单输入单输出，完成镇定任务出，完成镇定任务。1.1控制理论与过程控制系统的发控制理论与过程控制系统的发展状况（续）展状况（续）l1960年代形成现代控制理论。l现代控制理论以状态空间方法为基础：l极小值原理（Pontryagin，1962）l动态规划方法（Belman，1963）l采用Kalman滤波器的随机干扰下的线性二次型系统（LOG）（Kalman，1960）l主要研究的是多输入多输出系统，其中特别重要的是对描述控制系统本质的基本理论的建立，如可控性、可观性、实现理论、典范型、分解理论等。
6、l为了扩大现代控制理论的适用范围，相继产生和发展了系统辩识与估计、随机控制、自适应控制以及鲁棒控制等各种理论分支。l现代控制理论虽然在航天、航空、制导等领域取得了辉煌的成果，但对于复杂的工业过程却显得无能为力。1.1控制理论与过程控制系统的发控制理论与过程控制系统的发展状况（续）展状况（续）l1970年左右起，为了解决大规模复杂系统的优化与控制问题，现代控制理论和系统理论相结合，逐步发展形成了大系统理论（Mohammad，1983）。l核心思想是系统的分解与协调，多级递阶优化与控制（Mesarovie，1970）正是应用大系统理论的典范。l大系统理论仍未突破现代控制理论的基本思想与框架，除了高
7、维线性系统之外，它对其它复杂系统仍然束手无策。1.1控制理论与过程控制系统的发控制理论与过程控制系统的发展状况（续）展状况（续）l1980年代发展起来智能控制，对于含有大量不确定性和难于建模的复杂系统，基于知识的专家系统、模糊控制、人工神经网络控制、学习控制和基于信息论的智能控制等应运而生，它们在许多领域都得到了广泛的应用。成为自动控制的前沿学科之一。1.1控制理论与过程控制系统的发控制理论与过程控制系统的发展状况（续）展状况（续）l从控制系统结构来看，已经经历了四个阶段。l基地式控制：基地式控制：自力式温度控制器、就地式液位控制器等。功能往往限于单回路控制。l单元组合仪表组成的控制系统：单元
8、组合仪表组成的控制系统：有电动和气动两大类。PID控制，常用的复杂控制系统（例串级、均匀、比值、前馈、分程和选择性控制等）。l计算机控制系统：计算机控制系统：直接数字控制（DDC），集散控制系统（DCS）。DCS在硬件上将控制回路分散化，数据显示、实时监督等功能集中化。DCS仍以简单PID控制为主，再加上一些复杂控制算法。l二级优化控制：二级优化控制：在DCS的基础上实现先进控制和优化控制。在硬件上采用上位机和DCS或电动单元组合仪表相结合，构成二级计算机优化控制。l实现多层次计算机网络构成的管控一体化系统（CIPS）。l以现场总线为标准，实现以微处理器为基础的现场仪表与控制系统之间进行全数字
9、化、双向和多站通讯的现场总线网络控制系统（FCS）。1.1控制理论与过程控制系统的发控制理论与过程控制系统的发展状况（续）展状况（续）l当前过程控制系统发展的一些主要特点是：l生产装置实施先进控制成为发展主流 l过程优化得到迅速发展 l故障检测与诊断受到各方面遍关注 l传统的DCS在走向国际统一标准的开放式系统 l综合自动化系统（CIPS）是发展方向 1.2 过程控制系统简介过程控制系统简介 l1.2.1 概述l生产过程中，对各个工艺过程的物理量（或称工艺变量），有着一定的控制要求。l有些工艺变量直接表征生产过程，对产品的数量和质量起着决定性的作用。精馏塔的塔顶或塔釜温度；加热炉出口温度；化学
10、反应器的反应温度。l有些工艺变量虽不直接地影响产品的数量和质量，然而保持其平稳却是使生产获得良好控制的前提。用蒸汽加热反应器蒸汽总压；中间贮槽的液位高度与气柜压力；l有些工艺变量是决定安全生产的因素。锅炉汽包的水位、受压容器的压力等，不允许超出规定的限度，否则将威胁生产的安全。l还有一些工艺变量直接鉴定产品的质量。某些混合气体的组成、溶液的酸碱度等。1.2.1 概述（续）概述（续）l管式加热炉示意图，其加热炉出口温度是一个重要的工艺参数，对此热炉出口温度必须严加控制。管式加热炉示意图燃料TT原料出口温度燃料阀1.2.1 概述（续）概述（续）l把工艺所要求的汽包液位高度称为设定值；l把所要求控制
11、的液位参数称为被控变量或输出变量；l影响被控变量使之偏离设定值的因素称为扰动作用，如给水量、蒸汽量的变化等，设定值和扰动作用都是系统的输入变量；l用以使被控变量保持在设定值范围内的作用称为控制作用。1.2.1 概述（续）概述（续）l为了保持液位为定值，手工控制时主要有三步：l观察被控变量的数值，在此即为汽包的液位；l把观察到的被控变量值与设定值加以比较，根据二者的偏差大小或随时间变化的情况，作出判断，并发布命令；l根据命令操作给水阀，改变进水量，使液位回到设定值。1.2.1 概述（续）概述（续）l如采用检测仪表和自动控制装置来代替手工控制，就成为自动控制系统。加热炉出口温度控制系统燃料TTTC
12、原料燃料阀1.2.1 概述（续）概述（续）l反馈反馈-输出变量通过适当的检测仪表，又送回输入端，并与输入变量相比较。二者相加称为正反馈，二者相减称为负反馈。l偏差偏差-输出变量与输入变量相比较所得的结果。控制装置根据偏差方向、大小或变化情况进行控制，使偏差减小或消除。发现偏差，然后去除偏差，这就是反馈控制的原理。利用这一原理组成的系统称为反馈控制系统，通常也称为自动控制系统。l有反馈存在，按偏差进行控制，是自动控制系统最主要的特点。1.2.2闭环控制与开环控制闭环控制与开环控制l在反馈控制系统中，被控变量送回输入端，与设定值进行比较，根据偏差进行控制，控制被控变量，这样，整个系统构成了一个闭环
13、，因此称为闭环控制。l闭环控制的特点是按偏差进行控制。不论什么原因引起被控变量偏离设定值，只要出现偏差，就会产生控制作用，使偏差减小或消除，达到被控变量与设定值一致的目的，这是闭环控制的优点。l闭环控制不够及时。此外，如果系统内部各环节配合不当，系统会引起剧烈震荡，甚至会使系统失去控制，这些是闭环控制系统的缺点。1.2.2闭环控制与开环控制（续）闭环控制与开环控制（续）l开环控制方式比较简单，不需要对被控变量进行测量，只根据输入信号进行控制。l由于不测量被控变量，也不与设定值相比较，所以系统受到扰动作用后，被控变量偏离设定值，并无法消除偏差，这是开环控制的缺点。分配器步 进 电机 精 密传 动
14、 机构工作台工作台位 移控制脉冲数字程序控制机床精密定位控制系统 1.2.2闭环控制与开环控制（续）闭环控制与开环控制（续）FTFFC给水蒸汽汽包开环的液位控制系统。这里是根据扰动信号（蒸汽流量）来控制给水量。依据扰动作用进行控制的系统，虽然不一定能消除偏差，但是也有突出的优点，即控制作用不需等待偏差的产生，控制很及时，对于较频繁的主要扰动能起到补偿的效果。这种系统称为前馈控制系统。所用的控制装置FFC称为前馈控制器。前馈-反馈控制系统就是开环与闭环控制的组合形式 1.2.3控制系统的组成及方框图控制系统的组成及方框图设定值测量值偏差，e(t)=r(t)y(t)控制作用被控变量操纵变量1.2.
15、3控制系统的组成及方框图控制系统的组成及方框图（续）（续）l检测元件和变送器的作用是把被控变量c(t)转化为测量值y(t)。l比较机构的作用是比较设定值r(t)与测量值y(t)并输出其差值。l控制装置的作用是根据偏差的正负、大小及变化情况，按某种预定的控制规律给出控制作用u(t)。l比较机构和控制装置通常组合在一起，称为控制器。l执行器的作用是接受控制器送来的u(t)，相应地去改变操纵变量q(t)。最常用的执行器是气动薄膜控制阀，在采用电动控制器的场合，控制器的输出u(t)还需经电-气转换器将统一的电流信号转换成统一的气压信号。l系统中控制器以外的各部分组合在一起，即过程、执行器、检测元件与变
16、送器的组合称为广义对象。1.2.3控制系统的组成及方框图控制系统的组成及方框图（续）（续）l几个很重要的概念：l信息的概念 l闭环的概念 l动态的概念 1.2.4 控制系统的分类控制系统的分类l按设定值的不同情况，将自动控制系统分为三类，即定值控制系统定值控制系统、随动控制系统随动控制系统和程序控程序控制系统制系统。定值控制系统定值控制系统 l设定值保持不变（为一恒定值）的反馈控制系统称为定值控制系统。l在工业生产中的应用：例如各种温度、压力、流量、液位等控制系统；恒温箱的温度控制；稳压电源的电压稳定控制等。电阻丝加热恒温箱温度控制系统控制变压器活动触点的位置即改变了输入电压，则通过电阻丝的电
17、流将产生变化，使恒温箱得到不同的温度。被控变量是恒温箱的温度，经热电偶测量并与设定值比较后，其偏差经过放大器放大，控制电动机的转向，然后经过传动装置，移动变压器的活动触点位置。结果使偏差减少，直到温度达到给定值为止。随动控制系统随动控制系统 l设定值不断变化，且事先是不知道的，并要求系统的输出（被控变量）随之而变化。l例如雷达跟踪系统。各类测量仪表中的变送器本身亦可以看作是一个随动控制系统，它的输出（指示值）应迅速和正确地随着输入（被测量值）而变化。比值控制系统比值控制系统 程序控制系统程序控制系统 l设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即根据需要按一定时间程序变化。1.3控制系统过渡
18、过程及品质指标控制系统过渡过程及品质指标 l1.3.1静态与动态 l1.3.2控制系统的过渡过程及品质指标l当自动控制系统的输入发生变化后，被控变量（即输出）随时间不断变化，它随时间而变化的过程称为系统的过渡过程。也就是系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。阶跃作用为输入时的被控变量的阶跃作用为输入时的被控变量的过渡过程过渡过程单项控制指标单项控制指标 l衰减比n 衰减比是衡量过渡过程稳定性的动态指标，它的定义是第一个波的振幅与同方向第二个波的振幅之比。n=B/B。对衰减振荡而言，n恒大于1。n越小，意味着控制系统的振荡过程越剧烈，稳定度也越低，n接近于1时，控制系统的过渡过程接近于等
19、幅振荡过程；反之，n越大，则控制系统的稳定度也越高，当n趋于无穷大时，控制系统的过渡过程接近于非振荡过程。根据实际操作经验，为保持足够的稳定裕度，一般希望过渡过程有两个波左右，与此对应的衰减比在4:1到10:1的范围内。l最大动态偏差或超调量 最大动态偏差或超调量是描述被控变量偏离设定值最大程度的物理量，也是衡量过渡过程稳定性的一个动态指标。对于定值控制系统，过渡过程的最大动态偏差是指被控变量第一个波的峰值与设定值之和。在设定作用下的控制系统（随动控制系统）中，通常采用超调量这个指标来表示被控变量偏离设定值的程度，它的定义是第一个波的峰值与最终稳态值之差。一般超调量以百分数给出，即 最大动态偏
20、差或超调量越大，生产过程瞬时偏离设定值就越远。对于某些工艺要求比较高的生产过程，例如存在爆炸极限的化学反应，就需要限制最大动态偏差的允许值；同时，考虑到扰动会不断出现，偏差有可能是叠加的，这就更需要限制最大动态偏差的允许值。%100CBl余差 余差是控制系统过渡过程终了时设定值与被控变量稳态值之差，即 余差是反映控制准确性的一个重要稳态指标，一般希望其为零，或不超过预定的范围，但不是所有的控制系统对余差都有很高的要求，如一般贮槽的液位控制，对余差的要求就不是很高，而往往允许液位在一定范围内变化。yrel回复时间和振荡频率 回复时间表示控制系统过渡过程的长短，也就是控制系统在受到阶跃外作用后，被
21、控变量从原有稳态值达到新的稳态值所需要的时间。严格地讲，控制系统在受到外作用后，被控变量完全达到最终稳态值需要无限长时间。但实际上当被控变量的变化幅度衰减到足够小，并保持在一个极小的范围内所需要的时间还是有限的。对于输入作用下的控制系统，被控变量进入工艺允许的的稳态值所需要的时间称回复时间。对于设定作用下的控制系统（即随动控制系统），被控变量进入稳态值附近或的范围内所需要的时间称为回复时间。回复时间短，表示控制系统的过渡过程快，即使扰动频繁出现，系统也能适应；反之，过渡时间长。显然，回复时间越短越好。它是反映控制快速性的一个指标。在衰减比相同的条件下，振荡频率与回复时间成反比，振荡频率越高，回
22、复时间越短。因此振荡频率也可作为衡量控制快速性的指标，定值控制系统常用振荡频率来衡量控制系统的快慢。综合控制指标综合控制指标 l由于过渡过程中动态偏差越大，或是回复时间越长，则控制品质越差。所以综合控制指标采用积分鉴定的形式。l平方积分鉴定ISEl绝对值积分鉴定IAE l时间乘以绝对值的积分鉴定ITAEl 0,dttefJ022,dteJetef0,dteJetef0,tdteJtetefl自动控制系统控制质量的好坏，取决于组成控制系统的各个环节，特别是过程的特性。自动控制装置应按过程的特性加以适当的选择和调整，才能达到预期的控制质量。如果过程和自动控制装置两者配合不当，或在控制系统运行过程中自动控制装置的性能或过程的特性发生变化，都会影响到自动控制系统的控制质量，这些这些问题在控制系统的设计和运行过程中都应该充分注意.
